CN101614607A - 光纤f-p压力传感器及其压力液位传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤F－P压力传感器及其压力/液位传感装置，涉及一种压力传感器。本传感器的结构是：中心设置有压力注入孔的压力膜盒/片与支撑件开口的周边密封连接；在支撑件底面的中心设置有光纤固定孔和气压平衡孔，光纤固定孔连接有传导光纤；在传导光纤的端面和压力膜盒/片的中心平面间构成一个非本征F－P腔。本传感器结构简单，体积小，方便安装，压力分辨率高，非常适合量程较小而精度高的测量需求；根据量程非常方便地调换敏感元件以适用于不同的测量需求；成本更低廉，对光源波长没有特殊要求；适用于中小型化学储液、油罐，化学品/油储运罐车以及各种类型的液气态储运设备的储运量计量。

Description

光纤F-P压力传感器及其压力液位传感装置

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种光纤F-P压力传感器及其压力液位传感装置。

背景技术

关于F-P腔的设计有许多种，应用于液位测量的F-P腔压力液位传感器的设计主要集中于敏感位移及其对应压力的弹性元件的设计。已有的方案包括：早期的硅片、殷钢片和波登管，以及近期出现的大线性范围的波纹管。

硅片、殷钢片的缺点是线性弹性范围小，结构复杂，量程受限；而波纹管虽然较好地解决了大量程的问题，但是在测量精度上又显不足。

而采用压力仪表常用的压力膜盒/片的设计尚未见过报道。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种光纤F-P压力传感器及其压力液位传感装置。

本发明的目的是这样实现的：

1、设计原理

(1)利用压力膜盒/片将液体压强转换为线性位移

假定在密度均匀的条件下(对于大多数成品油储运罐/车是合理的)，液体内部的压强与其深度成正比，如果能测量出液体底部的压强，那么可以反推液体底部与液面的距离，从而测量出液位。液体的内部压强与深度的关系为：

p＝ρgh错误！未找到引用源。

式中：ρ为液体的密度，g为重力加速度，p为液体内深为h处的压强。

当液体密度p一定时，将压力传感器置于容器底部，通过检测压强就可以获得容器内液体高度的信息。

(2)通过光纤F-P腔测出该微位移从而获得液位的高度

光纤F-P腔是基于波动光学中的双光束干涉原理。为方便说明问题，我们假设两表面反射光的光强度相等，两反射面的反射率较小，则可把F-P腔看作低精细度装置，近似为双光束干涉，则双光束反射叠加后的光强输出为：

$I=I_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}t+\mathrm{\δ})$ 错误！未找到引用源。

式中，λ为光源的波长，δ为F-P腔两反射面相应反射光束的初始光程差。

弹性片会因该处的压强变化产生微位移，由此产生相应的光程差，测量出该光程差，即可得到压强的变化量，进而计算得到液位值。

2、工艺结构方面

本发明采用常规压力仪表中通用的压力膜盒/片做敏感元件，工艺成熟，不仅克服了现有硅晶片、波登管(Bourdon tube)等敏感元件弹性范围和工艺的限制，更提高产品的稳定性，降低了成本。

具体地说，一种光纤F-P压力传感器的结构是：

本传感器包括压力注入孔、压力膜盒/片、支撑件、光纤固定孔、传导光纤和气压平衡孔；

中心设置有压力注入孔的压力膜盒/片与支撑件开口的周边密封连接；在支撑件底面的中心设置有光纤固定孔和气压平衡孔，光纤固定孔连接有传导光纤；

在传导光纤的端面和压力膜盒/片的中心平面间构成一个非本征F-P腔。

其工作原理是：

将传感器的压力注入孔和被测液体连通，压力膜盒/片在液体压力的作用下发生形变(下凹)，从而改变F-P腔上下两个反射端面的间距，即F-P腔的腔长发生改变。从传导光纤输入激光，使从F-P腔两个端面反射回来的同频激光发生干涉，再测量输出光强的相位变化量，经过换算得到相对应的液位高度。

本发明具有下列优点和积极效果：

①传感器结构简单，体积小，方便安装，压力分辨率高，非常适合量程较小而精度高的测量需求；

②根据量程非常方便地调换敏感元件以适用于不同的测量需求；

③成本低廉，对光源波长没有特殊要求。

本发明适用于中小型化学储液、油罐，化学品/油储运罐车以及各种类型的液态储运设备的储运量计量。

附图说明

图1是光纤F-P压力传感器结构示意图；

图2是基于光纤F-P压力传感器的压力液位传感装置结构方框图；

图3是功率控制单元结构方框图。

其中：

10-光纤F-P压力传感器(简称传感器)，

11-压力注入孔，    12-压力膜盒/片， 13-支撑件，

14-光纤固定孔，    15-光纤，        16-压力平衡孔；

20-窄线宽光源；

30-功率控制单元，

31-模数转换器(A/D)，32-单片机，33-数模转换器(D/A)；

40-3dB耦合器；

50-光电探测器；

60-信号处理与显示单元。

英译汉

F-P：Fabry-Perot，法布里-珀罗，光干涉；

DFB：distributed feedback Bragg，分布反馈布拉格式；

PIN：positive-intrinsic-negative，p型-本征型-n型；

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、光纤F-P压力传感器(简称传感器)10

1、总体

如图1，本传感器10包括压力注入孔11、压力膜盒/片12、支撑件13、光纤固定孔14、传导光纤15和气压平衡孔16；

中心设置有压力注入孔11的压力膜盒/片12与支撑件13开口的周边密封连接；在支撑件13底面的中心设置有光纤固定孔14和气压平衡孔16，光纤固定孔14连接有传导光纤15；

在传导光纤15的端面和压力膜盒/片12的中心平面间构成一个非本征F-P腔。

2、功能块

1、压力注入孔11

压力注入孔11是一种设置在压力膜盒/片12上面的短管，通过橡胶管和被测液体连通。

2、压力膜盒/片12

压力膜盒/片12是一种常规压力仪表用弹性元件，特殊的波纹结构设计，保证中心点处的位移与压力成线性关系，即保证压力(液位)与F-P腔上下两个反射端面间距光干涉相位变化为线性关系。

3、支撑件13

支撑件13是一种与压力膜盒/片12同材质的金属圆盖，设置有光纤固定孔14和气压平衡孔16，具有固定光纤15、形成F-P腔和平衡气压的作用。

4、光纤固定孔14

光纤固定孔14是一种圆柱形突出于支撑件13底面的开孔；其功能是调节光纤15的端面位置以获得最佳干涉效果，并固紧传导光纤15防止由于机械作用导致干涉光功率的变化。

4、传导光纤15

传导光纤15是一种在普通通信光纤顶端进行了特殊处理(镀膜或者增加准直器)的光纤；其功能是与压力膜盒/片12反射面中心一起形成F-P腔和光传导。

16、气压平衡孔16

气压平衡孔16是支撑件13底部设置的小孔，和大气连通，起平衡气压的作用。

二、基于光纤F-P压力传感器的压力液位传感装置(简称传感装置)

1、总体

如图2，本传感装置包括传感器10、窄线宽光源20、功率控制单元30、3dB耦合器40、光电探测器50和信号处理与显示单元60；

功率控制单元30和窄线宽光源20连接；

窄线宽光源20的输出端和3dB耦合器40的输入端连接；3dB耦合器40的输出端分别与传感器10和光电探测器50连接；

光电探测器50和信号处理与显示单元60连接。

其工作原理是：

窄线宽光源20发出光功率为I₀的光，经3dB耦合器40后，分别到达传感器10中的光纤15的端面和压力膜盒/片12的中心面并被反射，两束反射光经3dB耦合器40合光后发生干涉，干涉光经下光路到达光电探测器50的光功率 $I=I_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}t+\mathrm{\δ}),$ 其中，λ为光源的波长，δ为F-P腔两反射面相应反射光束的初始光程差。经信号处理与显示单元60计算得到压力值，再通过液体内部压强-液位的关系即可求出液位值。

2、功能块

1、传感器10

传感器10即光纤F-P压力传感器，结构如图1，已述。

2、窄线宽光源20

窄线宽光源20是一种窄线宽激光光源；保证F-P腔长满足相干长度的要求；

选用中心波长为1550nm的半导体DFB激光器。

窄线宽光源20中有内置光电探测器，内置光电探测器是一种通用光电二极管，完成光信号到电信号的转换，提供电输出引脚。

3、功率控制单元30

功率控制单元30是一种光功率反馈控制电路，根据窄线宽光源20监测光功率的变化，实时控制注入电流的大小，以确保窄线宽光源20输出功率的稳定。

功率控制单元30为自制设备，放置在窄线宽光源20控制板上。

如图3，功率控制单元30包括模数转换器(A/D)31、单片机32和数模转换器(D/A)33，和窄线宽光源20组成反馈控制；

窄线宽光源20、模数转换器(A/D)31、单片机32、数模转换器(D/A)33和窄线宽光源20前后依次闭环连接。

其工作原理是：当窄线宽光源20由于温度等因素导致输出光功率变动时，首先经由窄线宽光源20中的内置光电探测器光电转换，再经由模数转换器(A/D)31模数转换，后被单片机32识别，并通过数模转换器(D/A)33数模转换，控制窄线宽光源20的供给电流来保持输出光功率的稳定。

(1)模数转换器(A/D)31

模数转换器(A/D)31是一种将模拟信号转换为数字信号的通用器件；用于将光电转换来的电信号转换为单片机32需要的数字信号，供单片机32处理；

选用美国ADI公司的AD7708芯片。

(2)单片机32

单片机32是一种通用可编程中央处理器；实现对窄线宽激光器功率变动的判断和控制；

选用ARM7系列440DX芯片。

(3)数模转换器(D/A)33

数模转换器(D/A)33是一种将数字信号转换为模拟信号的通用器件；用于将单片机33的输出控制命令转换为控制激光器20的电流信号；

选用美国ADI公司的AD5663芯片。

4、3dB耦合器40

3dB耦合器40是一种常用光功率分配器，将窄线宽光源20的光分为两路：一路和传感器10连接；一路和光电探测器50连接；

本发明选用1×2型、分光比为50∶50的光纤耦合器。

5、光电探测器50

光电探测器50是一种低噪声高灵敏度光电转换器；

本发明选用同轴尾纤型PIN光电探测器。

6、信号处理与显示单元60

信号处理与显示单元60是一种常用的包括微处理器、放大、滤波、模数转换和显示电路；微处理器选用FPGA系列。

Claims (10)

1、一种光纤F-P压力传感器，其特征在于：

本传感器(10)包括压力注入孔(11)、压力膜盒/片(12)、支撑件(13)、光纤固定孔(14)、传导光纤(15)和气压平衡孔(16)；

中心设置有压力注入孔(11)的压力膜盒/片(12)与支撑件(13)开口的周边密封连接；在支撑件13底面的中心设置有光纤固定孔(14)和气压平衡孔(16)，光纤固定孔(14)连接有传导光纤(15)；

在传导光纤(15)的端面和压力膜盒/片(12)的中心平面间构成一个非本征(F-P)腔；

所述的F-P为光干涉。

2、按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于：

压力膜盒/片(12)是一种常规压力仪表用弹性元件，特殊的波纹结构设计，保证中心点处的位移与压力成线性关系。

3、按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于：

支撑件(13)是一种与压力膜盒/片(12)同材质的金属圆盖，设置有光纤固定孔(14)和气压平衡孔(16)。

4、按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于：

光纤固定孔(14)是一种便于调节光纤的位置、夹角与固定的圆柱形突出于支撑件(12)底面的开孔。

5、按权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器，其特征在于：

传导光纤(15)是一种在普通通信光纤顶端进行镀膜或者增加准直器的光纤。

6、基于权利要求1所述的一种光纤F-P压力传感器的压力液位传感装置，其特征在于：

本传感装置包括传感器(10)、窄线宽光源(20)、功率控制单元(30)、3dB耦合器(40)、光电探测器(50)和信号处理与显示单元(60)；

功率控制单元(30)和窄线宽光源(20)连接；

窄线宽光源(20)的输出端和3dB耦合器(40)的输入端连接；3dB耦合器(40)的输出端分别与传感器(10)和光电探测器(50)连接；光电探测器(50)和信号处理与显示单元(60)连接。

7、按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于：

窄线宽光源(20)是一种窄线宽激光光源，选用中心波长为1550nm的半导体DFB激光器；窄线宽光源(20)中有内置光电探测器。

8、按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于功率控制单元(30)的结构是：

窄线宽光源(20)、模数转换器(31)、单片机(32)、数模转换器(33)和窄线宽光源(20)前后依次闭环连接组成反馈控制电路。

9、按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于：

3dB耦合器(40)选用1×2型、分光比为50∶50的光纤耦合器。

10、按权利要求6所述的压力液位传感装置，其特征在于：

信号处理与显示单元(60)是一种常用的包括微处理器、放大、滤波、模数转换和显示的电路，微处理器选用FPGA系列。

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